高温氧气用金属硬密封球阀的研究与设计

0 概述

氧气切断阀是煤化工工艺装置中的一类重要阀门，安装于燃烧器供氧回路中，对预热氧气、氧气蒸汽混合气等进行切断控制。其工作温度最高可达到450℃，工作压力最大可达到

5.5MPa，且氧气为强助燃剂，泄漏等级要求为Ⅵ级。在如此苛刻的工况条件下，金属硬密封球阀是其最好的选择。 1 高温氧气用金属硬密封球阀的设计参数

以煤化工工艺装置中DN200mm高温氧气用金属硬密封球阀为例，其工艺参数如表1所示。 表1 球阀工艺参数

2 高温氧气用金属硬密封球阀的材料选择

高温氧气用金属硬密封球阀的阀体和主要零部件材料的选择很重要，要依据其工作温度、工作压力和介质特性进行选择，同时还要考虑到材料的加工工艺性和经济性。由于氧气介质要求管路系统内部不能产生氧化锈蚀，因此球（氧）阀材料一般采用铬镍不锈钢等耐腐蚀钢。煤气化装置中的氧气用金属硬密封球阀的阀体材料通常采用CF8M或F316，球体和阀座材料采用316，密封面喷涂硬质合金，主要零部件材料采用316。高温情况下阀体材料采用INCONEL600或625的铸件或锻件，球体和阀座材料采用INCONEL600或625，密封面喷涂硬质合金，主要零部件材料采用INCONEL600或625。弹性元件（碟簧或弹簧）的材料采用INCONELX-750，保证在高温状况下提供足够的预紧力。 3 高温氧气用金属硬密封球阀的结构设计 高温氧气用金属硬密封球阀结构如图1所示。

1—主阀体2—副阀体3—下阀杆4—球体5—阀座

6—压环7—弹簧8—加长阀颈9—上阀杆 10—填料函11—填料12—压套13—压板 14—支架15—气动执行机构 图1 高温氧气用金属硬密封球阀结构

3.1 阀座与球体的密封

根据ANSIB16.104标准，粉煤或是渣水介质用的金属硬密封球阀密封等级要求为Ⅴ级。由于氧气是一种危险介质，任何的外漏和内漏都可能造成燃烧、爆炸等严重后果，因此密封等级要求为Ⅵ级。球体与阀座间的密封，是控制氧阀内漏的关键环节，要求达到严格的Ⅵ级密封。球、座的加工精度要求非常高，圆度要求达到μm级，表面粗糙度参数Ra≤0.2μm。需要精密数控球面专用磨床加工，再经球座对研，才能达到氧阀的严格要求。 3.2 阀杆低泄漏控制

通常金属硬密封球阀阀杆处采用O形圈、PTFE填料或石墨盘根密封。对于高温氧气用金属硬密封球阀，O形圈和PTFE填料不能满足高温工况要求，故不能使用。而石墨盘根通常含有杂质，也不能应用于氧气介质。因此高温氧气用金属硬密封球阀采用石墨环密封，并采用碟形弹簧进行动态加载，实现对填料磨损时的动态补偿，以保证阀门阀杆处的密封。 3.3 加长阀颈设计

由于介质为高温氧气，设计温度达到450℃，气动执行机构要远离高温区域，因此设计加长阀颈，以保证气动执行机构的正常工作。

3.4 气动执行机构的选择

由于高温氧气用金属硬密封球阀的球体和阀座密封面之间是金属对金属，没有任何润滑剂，如果气动执行机构输出力矩不足，很容易出现球体与阀座之间卡滞的情况，影响阀门的正常工作，因此，气动执行机构的选择很重要。在正常气源压力下，气动执行机构提供的输出力矩为阀门在最大压差下计算力矩的1.5倍以上，因此完全能使阀门正常地、稳定地启闭。 4 高温氧气用金属硬密封球阀的设计计算 4.1 阀体壁厚的计算

按照ASMEB16.34-2009，阀体最小壁厚采用强制性附录Ⅵ的计算公